Grupos Cíclicos - Facultad de Ciencias Matemáticas

AMPLIACIÓN DE MATEMÁTICAS
GRUPOS CÍCLICOS.
Los grupos que pueden ser generados por un único elemento se llaman
Grupos Cı́clicos. Un único elemento como generador hace que sea
fácil trabajar con ellos. Además, más adelante, veremos que los grupos
multiplicativos de los cuerpos finitos son todos cı́clicos, algo que tiene
implicaciones en criptografı́a.
Definición 1. Sea (G, ∗) un grupo.
A: Si existe
modo que
{g1 , g2 , ..., gn } ⊆ G, un subconjunto finito de G, de
< g1 , g2 , ...., gn >= G
se dice que G está finitamente generado.
B: Si existe g ∈ G de modo que < g >= G, se dice que G es un
grupo cı́clico y que g es un generador de G.
Ejemplos 1.
1. < 2 >= 2Z, ası́ el grupo (2Z, +) es cı́clico y 2 es
un generador.
2. < 1 >= Z.
3. (R, +) no está finitamente generado.
Definición 2. Sea (G, ∗) un grupo. Sea g ∈ G. Se llama orden de g
al menor entero k ∈ N\{0} de modo que
g k = g ∗ g ∗ ...k−veces ... ∗ g = e.
Escribiremos Ord(g) = k.
Puede haber elementos de un grupo con orden infinito (por ejemplo
2 ∈ (Z, +)) lo cuál no es muy interesante. En los grupos finitos (de
orden finito) todos sus elementos tiene orden finito.
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C. RUIZ
Proposición 1. Sea (G, ∗) un grupo finito.
Todo elemento a de G tiene orden finito.
Si a ∈ G y n es su orden entonces {a, a2 , ..., an = e} forma un
subgrupo cı́clico de G.
Demostración: Tomemos un elemento a ∈ G y consideramos el conjunto de las potencias del elemento a,
{a, a2 , ...., ak , ....}
(solo operamos a con el mismo). Como G es finito estas potencias de a
se tienen necesariamente que repetir. Sea k, r ∈ N de modo que
ak = ak+r ⇔ ak = ak ∗ ar ,
ahora multiplicando por el inverso de ak tenemos que e = ar . Ahora
solo hace falta tomar el menor de los r ∈ N con ar = e para conseguir
el orden de a.
Consideremos ahora
{a, a2 , ...., an = e}.
Todas estas potencias son distintas, de los contrario existirı́an k, r ∈ N
con k + r ≤ n de modo que ak = ak+r y por el argumento anterior
ar = e. Lo cuál no es posible ya que r < n y por definición de n (el
orden de a) es el menor natural que verifica an = e.
Sean ahora ak1 , ak2 ∈ {a, a2 , ...., an = e}. Claramente (ak2 )−1 =
an−k2 ∈ {a, a2 , ...., an } y además
ak1 (ak2 )−1 = ak1 an−k2 = ak1 +n−k2 ∈ {a, a2 , ...., an = e}
(claro, como 0 < k1 + n − k2 < 2n, si 0 < k1 + n − k2 ≤ n es clara
la pertenencia anterior, si k1 + n − k2 = n + r con r < n entonces
ak1 +n−k2 = an+r = an ar = ar ).
Por la caracterización de subgrupos vemos que {a, a2 , ...., an = e} es
un subgrupo de G de orden exactamente n (|{a, a2 , ...., an = e}| = n).
Además, claramente < a >= {a, a2 , ...., an = e}, luego es un subgrupo
cı́clico Propiedades de los grupos finitos cı́clicos son las siguientes.
APUNTES AM
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Proposición 2. Si (G, ∗) es un grupo finito cı́clico y a es un generador,
entonces
G = {a, a2 , ..., ak , ..., a|G| = 1}
(donde 1 es el elemento neutro y ak = a ∗ a ∗ a ∗ ...k−veces ... ∗ a).
Demostración: Sea n el orden de a, que sabemos que existe por ser
G finito. Por la proposición anterior sabemos que
< a >= {a, a2 , ...., an = 1} ⊆ G
es un subgrupo cı́clico de G. Como a es un generador de G, esto solo
puede ocurrir si
n = |{a, a2 , ...., an = 1}| = |G|
Proposición 3. Todo subgrupo de un grupo cı́clico finito es a su vez
cı́clico.
Demostración: Sea G =< a >, un grupo cı́clico finito con a un generador. Sea S un subgrupo de G (S E G). Como G = {a, a2 , ..., ak , ..., a|G| =
1}, tomamos ak0 ∈ S de modo que
k0 = mı́n{k : ak ∈ S }.
Solo nos falta ver que < ak0 >= S. Como S es subgrupo es claro que
< ak0 >⊆ S. Sea ahora ak ∈ S. Si k0 |k es claro que ak ∈< ak0 >. Si
no, por el Teorema del Resto, k = qk0 + r con r < k0 y ası́
ak = aqk0 +r = (ak0 )q ∗ ar
⇒ ((ak0 )q )−1 ak = ar ∈ S
lo cuál no es posible ya que por elección de k0 , éste es el menor natural
de modo que al elevar a a él, ésta potencia pertenece a S
Proposición 4. Si S es un subgrupo de un grupo cı́clico finito G,
entonces el orden del subgrupo divide al orden del grupo ( |S| | |G|).
Demostración: Sea a un generador de G, con orden de a igual a |G| y
sea ak0 un generador de S con orden |S|. Entonces (ak0 )|S| = ak0 |S| = 1,
como el orden de a es |G| se tiene que
k0 |S| = m.c.m(k0 , |G|).
De la definición de máximo común múltiplo y su caracterización como
el producto de los primos divisores comunes o no, se sigue que |S| divide
a |G|
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C. RUIZ
Esta propiedad de que el orden del subgrupo divide al orden del
grupo es una propiedad general de los grupos finitos. En el caso de
grupos cı́clicos es más o menos sencillo de probar. En el caso general,
el Teorema de Lagrange, nos va a llevar un poco más de trabajo.
Antes de avanar más, veamos algunos ejemplos del cálcuo de ordenes
de elementos de un grupo.
Ejemplo 1. Sea (Z5 \{0}, ×) = ({[1], [2][3], [4]}, ×).
Éste es un grupo multiplicativo, ya que 5 es primo y sus congruencias
todas tienen inverso.
[1] tiene orden 1 claramente.
[2] tiene orden 4, ya que [24 ] = [16] = [1] y [22 ] = [4] y [23 ] = [3].
Luego [2] es un generador del grupo.
[3] tiene orden 4, ya que [34 ] = [81] = [1] y [32 ] = [4] y [33 ] = [2].
Luego [3] es un generador del grupo.
[4] tiene orden 2, ya que [42 ] = [16] = [1].
Ejemplo 2. Sea (Z∗9 , ×) = ({[1], [2], [4], [5], [7], [8]}, ×).
Éste es un grupo multiplicativo como hemos visto anterioremente.
Además, |Z∗9 | = 6
[2] tiene orden 6, ya que [26 ] = [64] = [1] y [22 ] = [4], [23 ] =
[8], [24 ] = [16] = [7] y [25 ] = [32] = [5]. Luego [2] es un generador
del grupo.
[4] tiene orden 3, ya que [43 ] = [64] = [1] y [42 ] = [16] = [7].
[5] tiene orden 6, ya que [52 ] = [25] = [7] y [53 ] = [125] = [8].
Como el grupo es finito y cı́clico (ya que 2 es un generador),
entonces el orden de [5] tiene que dividir al del grupo; como este
orden no es ni 2 ni 3, solo puede ser 6.
[7] tiene orden 3, ya que [72 ] = [14] = [5] y [73 ] = [343] = [1].
[8] tiene orden 2, ya que [82 ] = [64] = [1].
Siempre encontramos que el orden de un elemento divide al orden
del grupo, ya que el orden del elemento es igual al orden del subgrupo
que engendra en el grupo.
APUNTES AM
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Ejemplo 3. Sea un grupo (G, ∗) y sean a, b ∈ G. Hay que probar que
1. Si Ord(a) = n y n = pq, entonces Ord(ap ) = q.
2. Ord(a−1 ) = Ord(a) y Ord(ab) = Ord(ba) (G no tiene por que
ser conmutativo).
3. Si a y b conmutan y tienen ordenes finitos primos entre si, enT
tonces < a > < b >= {e}.
Demostración:
En el primer caso, por definición de orden
e = an = (ap )q .
Si Ord(ap ) = r < q, entonces e = (ap )r y se tendrı́a que Ord(a) ≤
pr < n, lo que contradice la hipótesis.
e = an , despejando (an )−1 = e, como (an )−1 = (a−1 )n , deducimos
que Ord(a−1 ) = n.
Por otro lado si Ord(ab) = 1, entonces a y b son inversos y
Ord(ba) = 1. Ahora se procede por inducción.
T
Si c ∈< a > < b > se tiene que c = an = bk para ciertos n, k ∈
N. c está dentro de grupos finitos y ciclı́cos, luego existe Ord(c)
con Ord(c)|Ord(a) y Ord(c)|Ord(b). Como ambos ordenes son
primos entre si, se tiene que Ord(c) = 1 y ası́ c = e
Referencias
Departamento de Análisis Matemático, Facultad de Matemáticas,
Universidad Complutense, 28040 Madrid, Spain
E-mail address: Cesar [email protected]